微電子器件中的應(yīng)力分析及改善方法研究.pdf

1、電子產(chǎn)品的可靠性在整個電子行業(yè)中有著很重要的地位。在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用過程中，往往伴隨著溫度的變化。由于電子產(chǎn)品是由不同材料的部件構(gòu)成的，其各部件的熱膨脹系數(shù)也不一樣，這導致了由熱失配引起的熱機械應(yīng)力，使得電子產(chǎn)品的失效率大大增加。本論文分別研究了電子封裝工藝中Flip chip和Wire Bonding兩種工藝中常見的熱機械應(yīng)力問題，并對兩種典型器件的材料和結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計。
　　本論文第一部分所研究的是關(guān)于Flip chi

2、p工藝條件下芯片背部的應(yīng)力情況。探討了通過在芯片背部鍍上一層氮化物薄膜（AlN或Si3N4）改善其應(yīng)力大小，增加其機械性能，從而保護芯片的可行性。
　　在此我們通過三點彎曲測試（3PB）結(jié)合有限元分析（FEA）的手段來表征相關(guān)特性。主要研究內(nèi)容如下：
　　1.芯片背部應(yīng)力變化的情況。通過有限元建模，包括功率循環(huán)，溫度循環(huán)等不同條件下對比較芯片背部在鍍膜前后應(yīng)力的變化，觀察到芯片背部在鍍膜后應(yīng)力有所減小。
　　2.鍍膜對

3、硅芯片機械性能的改善情況。利用三點彎曲測試儀對硅晶圓進行斷裂強度測試，證實了鍍膜能夠增加硅芯片的斷裂強度。同時也研究了證實了硅表面粗糙度與其斷裂強度的關(guān)系。證實了表面粗糙度越大，斷裂強度越小。
　　3.硅芯片已存在的表面微型裂紋的影響。硅芯片表面通常存在一些微型裂紋，在此情況下，應(yīng)力和斷裂強度與上述模型會有所差別。通過相關(guān)理論、三點彎曲測試以及有限元分析相結(jié)合，對硅芯片表面含微型裂紋的情形進行了研究。驗證了鍍膜的優(yōu)越性。
　

4、　通過不同的手段對鍍膜后硅芯片性能的研究，驗證了在硅芯片背部鍍高硬度的氮化物薄膜是一種防止芯片斷裂，保護芯片的有效方式。
　　本論文第二部分研究的是在Wire Bonding封裝工藝條件下，器件的結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計對封裝體的可靠性影響。主要是集中在散熱分析以及熱機械應(yīng)力方面的分析與優(yōu)化設(shè)計。本部分主要包含兩部分工作：
　　1.結(jié)構(gòu)設(shè)計分析。利用有限元分析軟件，建模分析封裝中結(jié)構(gòu)設(shè)計對器件散熱，應(yīng)力分布的影響。此外，對實際生產(chǎn)線中

5、的結(jié)構(gòu)進行了驗證和優(yōu)化。
　　2.封裝材料的選取。器件進行封裝的時候用到多種多樣的材料，不同的材料對器件在散熱，應(yīng)力分布等可靠性問題上有不同的影響。本論文對實際生產(chǎn)工藝中用到的幾種封裝材料（粘接層材料與塑封材料）進行器件可靠性方面的性能對比。實現(xiàn)對器件可靠性方面的優(yōu)化設(shè)計。
　　通過上述研究，我們分析了器件的引線框架厚度、芯片厚度以及引線框架形狀對器件散熱和應(yīng)力分布影響。同時，通過仿真和實驗表明，利用銀漿做粘接層材料，以及使